沉积学报  2015, Vol. 33 Issue (1): 124-133

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沈星, 褚忠信, 王玥铭, 李应坤, 苗安洋, 梁玉蕾
SHEN Xing, CHU ZhongXin, WANG YueMing, LI YingKun, MIAO AnYang, LIANG YuLei
北黄海西部与南黄海中部泥质区岩芯敏感粒级及其环境意义
Sensitive Grain Size and its Environmental Significance of Modern Mud Patches in Southern and Northern Parts of the Yellow Sea
沉积学报, 2015, 33(1): 124-133
ACTA SEDIMENTOLOGICA SINCA, 2015, 33(1): 124-133
10.14027/j.cnki.cjxb.2015.01.013

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收稿日期:2014-01-08
收修改稿日期:2014-05-12
北黄海西部与南黄海中部泥质区岩芯敏感粒级及其环境意义
沈星1,2, 褚忠信1,2, 王玥铭1, 李应坤1,2, 苗安洋1,2, 梁玉蕾1,2    
1. 中国海洋大学海洋地球科学学院 山东青岛 266100;
2. 海底科学与探测技术教育部重点实验室 山东青岛 266100
摘要:用激光粒度仪对南黄海中部(YSZD01孔)与北黄海西部(B45孔)泥质区沉积物短柱样进行高分辨选样(0.5 cm)的粒度测试与分析,并对柱样进行210Pb测年分析.B45孔柱样沉积时间为1913~2010年,沉积物以粉砂为主,粒度参数垂向波动较大.YSZD01孔柱样沉积时间为1909~2012年,沉积物为泥与砂质泥,粒度参数垂向变化较小.两孔在1958年、1971年、1980年左右砂含量突增,很可能归因于强度大的寒潮,其增强了黄海两泥质区的水动力环境,导致两孔在这些年份左右的粗颗粒沉积物含量突增.用粒级—标准偏差法得到B45孔沉积物敏感粒级组分为15.6~71.8 μm,YSZD01孔沉积物敏感粒级组分为23.7~500.0 μm,用其作为东亚季风变化的指标,显示自1910年代以来东亚冬季风强度增强,两孔在1925~1935年、1955~1964年、1974~1977年、1982~1986年这四个时期敏感粒级含量出现增加趋势,对应冬季风强度增强较为明显.从岩芯粒度来看,季风强度的变化体现为敏感粒级组分含量变化,季风频率的变化体现为敏感粒级含量波动的程度.
关键词黄海     泥质区     粒度     敏感粒级     东亚季风    
Effect of Compaction Methods on Performance of ATB-30 Asphalt Mixture
SHEN Xing1,2, CHU ZhongXin1,2 , WANG YueMing1, LI YingKun1,2, MIAO AnYang1,2, LIANG YuLei1,2    
1. Ocean University of China, College of Marine Geosciences, Qingdao, Shandong 266100;
2. The Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, Ministry of Education, Qingdao, Shandong 266100
Abstract:High resolution (0.5 cm) grain size analysis by laser particle size analyzer and 210Pb dating of two short cores collected from the mud patches of central part of the southern Yellow Sea (Core YSZD01) and western part of the northern Yellow Sea (Core B45) were performed. Our results show that Core B45, which was deposited from 1913 to 2010, is mainly composed of silt, and its grain size parameters fluctuate vertically. The main sediment of Core YSZD01, which was developed from 1909 to 2012, is mud and sandy mud, and its grain size parameters change little along the core length. Sand fractions in the two cores around 1958, 1971 and 1980 are abruptly increased. We argue that strong cold-air outbreaks probably occurred in the study area, which enhanced ocean hydrodynamics and thereby resulted in abrupt increase in coarse fraction. By the grain size-standard deviation method, we got the environmental sensitive grain size components of Cores B45 and YSZD01, 15.6~71.8 μm and 23.7~500.0 μm, respectively, which are used to indicate variations of the East Asian Monsoon since 1910. The increased percentages of sensitive components during four periods of 1925~1935, 1955~1964, 1974~1977, and 1982~1986, are consistent with significant increase of the East Asian winter monsoon. It seems that the changes in content and fluctuation of sensitive grain size component in the mud patches of the Yellow Sea can be used to indicate variations in intensity and frequency of the East Asian Winter Monsoon.
Key words: Yellow Sea     mud patch     grain size     sensitive grain size component     East Asian Monsoon    
0 引言

中国东部边缘大陆拥有众多河流入海并输入巨量陆源物质,陆架沉积物记录了海陆变迁、海平面变化、河流输入物质和气候变化等信息[1]。国内外众多学者已对黄海沉积物来源[1, 2, 3]、矿物组成[3, 4]、粒度特征[1, 5]、地球化学特征[6, 7, 8]、生物特征[9, 10, 11]、黄海冷水团[12, 13, 14]及其对应的环境意义等进行了很多研究,并取得了丰富的成果。现代和地史时期的沉积物粒度特征往往记录着沉积物源和沉积环境等信息,受搬运和沉积过程的动力条件控制,因其与沉积环境密切相关,所以常被用来反演沉积环境、沉积过程、搬运过程和搬运机制[15]。但在运用沉积物粒度特征来对复杂的沉积动力条件和沉积物源分析时,由于影响沉积物粒度特征因素的多样性和复杂性,往往只能采用近似的替代指标[16, 17]。近年来对沉积物粒度资料进行数据处理,并提取对沉积环境变化敏感的粒度组分或端元组分[18],据此重建地质历史时期的古气候、古环境已成为研究热点。然而受环境影响的沉积物敏感粒级范围往往很小,因此对粒度数据中响应特定环境粒度组分的提取在研究不同沉积环境中不同组分构成及各组分所指示的沉积学意义中变得十分重要[19]

以往对沉积物岩芯的粒度分析,岩芯选样时一般>2 cm,本文对北黄海西部与南黄海中部泥质区沉积物短柱样进行高分辨选样(0.5 cm),用激光粒度仪开展粒度测试,分析沉积物粒度概率分布特征及粒度参数特征,并对沉积物短柱样进行室内210Pb测试。探讨黄海不同海域沉积物的粒度特征对某一时期沉积环境和水动力条件的响应。在此基础上,提取并分析泥质体陆源物质中对环境变化较为敏感的粒度组分,讨论两孔柱样敏感粒级对东亚季风的响应,以期更好地了解沉积区的沉积环境变化。 1 区域背景

陆架泥质区是细颗粒物质的“汇”,高分辨记录了陆架海复杂的沉积动力特征及海洋环境的演化。在黄、东海陆架存在多个呈斑块状分布的泥质沉积区,在这些泥质区形成的泥质沉积体的沉积记录保存完整且分辨率高,是研究近代海洋环境变化最为理想的场所之一。黄海是典型的冰后期海侵形成的陆架海,在全新世期间接受了大量陆源物质而形成了三块规模较大的泥质沉积区,即北黄海西部泥质沉积区、南黄海中部泥质沉积区和黄海东部泥质沉积区。同时黄海又具有复杂的海洋动力系统,包括风、浪、环流系统(黄海暖流、沿岸流、冷水团)和潮流[20](图 1)。对上述各泥质体的成因尚未有统一的认识,Hu等[21]认为泥质区的形成与气旋或反气旋型涡旋有关,高抒等[22, 23]则认为山东半岛东北端附近的泥质区是黄河的远端沉积,南黄海中部泥质区受弱潮流影响,在一定程度上与涌升—下沉流体系有关[24]。各泥质体的成因不是本文的重点,这里不予以详细讨论。

图 1 黄东海流系示意图(据管秉贤,1982)及柱状样采集位置 Fig. 1 The oceanic circulations pattern (according to Guan Bingxian,1982) and sampling locations
2 材料与方法

本研究所用样品B45和YSZD01分别系国家基金委2010年渤黄海秋季开放航次(“东方红2”号船)和“南黄海泥质区”国家自然科学基金重点项目2012年春季调查航次(“润江”号船)中获得。B45(38°0′ N ,122°30.0′ E)孔位于北黄海西部、山东半岛北部,长47.5 cm,站位水深49.9 m;YSZD01(35°43.3′ N,123°12.1′ E)孔位于南黄海中部,长28.0 cm,站位水深73 m,柱样采集位置见图 1。采用箱式取样器采集海底沉积物,再用插管法取得B45和YSZD01柱样,后竖直放置于冷冻箱内保存。

粒度测试在中国海洋大学海底探测技术教育部重点实验室完成。样品处理过程如下:将两岩芯柱状样以0.5 cm等间隔分样,B45共取96个样品,YZSD01共取57个样品,每份样品10~15 g。从每个样品中取适量沉积物湿样(约2 g),放入小烧杯,加适量30%的H2O2溶液和0.25 mol/L的HCl溶液分别去除有机质和贝壳等钙质成分,直到不起泡为止。然后加4%(NaPO3)6溶液以分散沉积物颗粒,样品静置24小时以上。然后将处理好的样品放入超声波分散器,震荡10~15 min,用英国产的Mastersizer2000激光粒度仪进行测试。测试范围为0.02~2 000 μm,分辨率为0.01 φ,重复测量的相对误差小于3%,粒级标准采用尤登—温德华氏(Udden-Wentworth)等比制φ值粒级标准,采用Folk沉积物分类法[25]划分沉积物类型,采用McManus矩法[26]进行沉积物粒度参数的计算,在下文中用McManus的定性描述术语[26]描述相应粒度参数。

室内210Pb测试所用样品间隔为2 cm,共39个(B45孔24个,YSZD01孔15个)样品,同时进行了详细的岩性描述。样品测定在中国科学院南京地理与湖泊研究所完成。 3 结果 3.1 B45和YSZD01柱样210Pb测年

210Pb是环境地球化学过程中的有效示踪剂,因其在百年尺度沉积计年的重要价值,被广泛用于有关海洋沉积物的研究中。原始状态下,现代海洋沉积的210Pb放射性活度随沉积物深度增加而发生衰减,并最终趋于稳定。陆架海沉积物中的210Pb主要来自沉积物源输入、沉积物母体226Ra的衰变及大气中的沉降。当210Pb沉积通量及沉积速率恒定、210Pb未发生迁移或未受到扰动且沉积物中由母体中226Ra补给的210Pb值不变时,可以通过沉积物中剩余210Pb的强度来计算沉积物沉积速率。在此基础上,文章对B45、YSZD01两孔柱状样沉积物进行210Pb放射性活度的分析。

从B45与YSZD01柱状样沉积物中210Pb活度垂向分布(图 2)中看出,B45岩芯2.5~40.5 cm层段为210Pb衰减层,衰减层之上0~2.5 cm沉积物略有混合。采样及保存过程中引起的样品混合可能性很低,推测混合层可能是底栖生物活动或水动力变化对表层沉积物的扰动结果。YSZD01孔从表层到柱样底部未见混合层。对两岩芯的210Pb的活度值进行拟合并计算出两孔的沉积速率分别为0.49 cm/a(B45孔)和0.27 cm/a(YSZD01孔)。据此计算出B45柱样沉积时间为1913~2010年,共97年;YSZD01柱样沉积时间为1909~2012年,共103年。两泥质区附近柱状样中的210Pb活度值垂直分布很有规律且相对较高,表层210Pb活度值最大达17.3 dpm/g(B45,2.5 cm处)和22.0 dpm/g(YSZD01,0.5 cm处)。齐君[27]等人认为,黄海中的210Pb的富集是因为210Pb易被黏土等细颗粒物质所吸附,两孔表层的高210Pb活度值及低沉积速率,恰好反映了采样海区相对稳定的沉积环境。

图 2 YSZD01和B45岩芯210Pb活度垂直分布 Fig. 2 Vertical distributions of 210Pb in Cores YSZD01 and B45
3.2 B45岩芯沉积物沉积特征及粒度参数的垂向变化

B45孔柱状样长47.5 cm,0.5 cm、3.0 cm、18.0 cm及23.0 cm处可见生物碎片或完整贝壳,6.0 cm处虫孔发育;14.5 cm、19.0 cm、25.5 cm、36.0 cm处为砂质粉砂,其余均为粉砂;砂、粉砂和黏土含量分别为0.6%~17%、61%~74%和22%~30%,沉积物成分以粉砂为主(69.42%±2.13%),黏土次之(26.39%±1.56%),砂最少(4.19%±2.77%);砂和粉砂的含量变化比较大,黏土含量变化较小,总起来看,砂、粉砂、黏土的含量有一定变化,但变化较小。

B45孔粒度参数波动较大(图 3),平均粒径变化范围在6.15~7.01 φ之间,平均值为6.79 φ,粒度较细,属粉砂质沉积,沉积物粒度及其参数整体增减趋势不明显,0.0 cm至9.0 cm平均粒径增大,粒度逐渐变粗。在14.5 cm、19.0 cm、25.5 cm、36.0 cm处砂含量突然增加,黏土含量减小,推测可能是沉积水动力环境增强所致;B45沉积物平均粒径变化范围在6.15~7.01 φ之间,平均值为6.79 φ,属于细粒沉积;分选系数在1.63~2.25之间,平均为1.79,分选差;偏度变化范围在(-1.58)~(+1.18)之间,平均值为(+0.2),为正偏,B45孔沉积物正偏粗化;峰度值变化范围在1.97~2.81之间,平均值为2.27,沉积物粒度频率曲线为单峰,具宽峰态,为平缓型。

图 3 B45孔岩芯粒度参数变化及岩芯典型代表部位(如15 cm)粒度频率曲线 Fig. 3 Grain-size parameter of the Core B45 and grain-size frequency of the representative positions (e.g. 15 cm)
3.3 YSZD01岩芯沉积物沉积特征及粒度参数的垂向变化

YSZD01柱样长28.0 cm,沉积物以暗色泥与砂质泥为主;在8.0~9.5 cm、18.0 cm及23.0 cm处可见生物碎片;砂、粉砂和黏土含量分别为0.1%~30%、42%~61%和27%~42%,沉积物粒级组成与B45孔相似,以粉砂为主(54.18%±3.65%),黏土次之(36.35%±3.22%),砂最少(9.48%±6.64%),与B45孔相比,YSZD01孔砂含量波动较强(图 3,4);YSZD01孔沉积物粒度参数波动比较明显,沉积物平均粒径变化范围在5.99~7.70 φ之间,平均值为7.11 φ,与B45孔相似,属于细粒沉积;分选系数在1.35~2.66之间,平均值为2.01,分选较差;偏度波动范围在(-2.26)~(-0.59)之间,平均值(-1.78),负偏细化;峰度值变化范围在1.69~3.17之间,平均为2.69,沉积物粒度频率曲线双峰型。

图 4 YSZD01孔岩芯粒度参数变化及岩芯典型代表部位(如4.5 cm)粒度频率曲线 Fig. 4 Grain-size parameter of Core YSZD01 and grain-size frequency of the representative positions (e.g. 4.5 cm)

YSZD01孔在5.0 cm处明显分为上下两部分,从平均粒级、分选系数、偏度和丰度参数也可看出在5.5 cm处发生明显变化,上部沉积物粒度细,频率分布曲线为单峰型(图 4);下部沉积物砂含量增加,粒度变粗,频率分布曲线为双峰型,频率分布曲线在尾部有一小的峰出现,分选变差。YSZD01孔与靠近黄海冷水团冷涡中心的H-106孔(35°30′ N,123°0′ E)[28]粒度概率曲线相似,黏土和粉砂含量都很高。 3.4 B45和YSZD01岩芯沉积物敏感粒级组分特征

运用沉积物粒度数据进行古环境分析时,通常把沉积序列中不同物质来源或不同动力条件下的粒度进行组分分离,再研究不同组分代表的地质环境意义,从而根据其在沉积序列中的变化推断气候环境的演化历史[15]。粒级—标准偏差变化曲线主要反映不同样品的粒度含量在各粒级范围内的差异性,高的标准偏差值反映了不同样品的粒度含量在某一粒径范围内差异大,低的标准偏差值则反映了粒度含量在某一粒径范围内差异较小[18]。根据沉积物所包含的粒度组分的含量和分布范围,追索沉积物输运过程和沉积环境变化已在阿拉伯海和中国南海得到成功的运用[29, 30, 31]图 5是用粒级—标准偏差法获得B45和YSZD01岩芯的各粒级组分的标准偏差随粒级的变化关系图,图中标准偏差高值所对应的粒级即对沉积环境敏感的粒度众数[18]。B45孔有三个明显的标准偏差峰值和两个标准偏差低值,对应为7.8 μm、35.9 μm、164.9 μm和15.6 μm、71.8 μm;YSZD01孔有两个明显的标准偏差峰值和一个标准偏差低值,对应为5.9 μm、217.6 μm和23.7 μm。两孔沉积物对应的标准偏差峰值和低值反映了其所处泥质区沉积物粒度含量在特定粒级范围内差异的大小,其值的大小及出现峰值和低值的个数能反映出泥质区内粒度变化发生明显差异的粒级组分范围和个数。B45和YSZD01两孔沉积物粒度组分的明显差异与沉积动力条件变化密切相关。B45孔对应的粒度组分为3.9~15.6 μm(组分1)、15.6~71.8 μm(组分2)和71.8~329.9 μm(组分3)。组分1和组分3对应的标准偏差值比较接近,且明显低于组分2对应的标准偏差值。说明组分2对应粒级可能具有特殊沉积环境特征意义。YSZD01孔有两个明显的标准偏差峰值,对应为5.9 μm和217.6 μm。两个粒度组分的分界线约在23.7 μm处,对应的沉积环境的敏感粒级为1.5~23.7 μm和23.7~500.0 μm,这里分别称之为组分A与组分B。

图 5 B45和YSZD01孔标准偏差随粒级的变化曲线 Fig. 5 Standard deviation distribution along with grain size of Cores B45 and YSZD01
4 讨论

平均粒径指示了沉积物粒度分布的集中趋势,反映了沉积介质的平均动能。两根柱状样沉积物均以细粒物质(粉砂和黏土)为主,YSZD01孔黏土含量(27%~42%,平均36.35%)明显高于B45孔(22%~30%,平均26.39%)(图 3,4);YSZD01孔沉积物平均粒径(7.1 φ)小于B45孔(6.79 φ),指示了二者虽然都是在低能环境下沉积而成,但YSZD01孔较B45孔具有更弱的沉积水动力环境。

黄河陆源物质经渤海进入黄海后,在沿岸流、潮流和黄海暖流等影响下,一部分在山东半岛北岸近海和北黄海中部发生沉积,其余则进入南黄海,并大多在南黄海中部沉积,北黄海西部、南黄海中部的泥质沉积主要为现代黄河物质[2]。黄河陆源物质随着运移距离的增加,由于粒度分选作用,粒度也相应的减小。南黄海中部细粒粉砂质黏土、黏土沉积物平均粒径为8.7 φ,黏土含量往往>70%,呈斑块状分布[20],该泥质区对应于黄海暖流西侧分支与黄海沿岸流形成的冷水团环流体系,是弱潮流区[32]。对海底沉积物而言,无论是沉积稳定区或沉积动荡区,其沉积特征主要取决于两点[33]:一是其沉积物质来源特征及丰度,二是其所处沉积环境条件。黄河具高入海泥沙通量,尽管自上世纪70年代初其入海泥沙通量开始明显减少,但其1950~2002年入海泥沙量仍高达8.13×108 t/a,为黄、东海陆架沉积提供了丰富的物质来源[34]。黄河泥沙入海后,需要海洋动力系统将其输运至黄、东海陆架,如环流(黄海暖流和沿岸流体系)和潮流等,其悬沙的长距离输运更是与陆架环流格局密切相关,黄海现代泥质体即是众多海洋动力综合作用的结果。近百年来,黄河入海沉积物通量和粒度虽然存在一定变化,但推测其对研究岩芯的粒度不起主导作用。对两泥质区而言,其所处的水动力环境条件控制其沉积物各主要粒度组分特征变化。此外,台风、寒潮等事件也会对沉积物沉积特征产生影响,而这种极端事件的发生对沉积环境往往有很大的研究意义。在西太平洋,风暴潮通常由台风(又叫热带风暴)引起,冯士筰认为,在北黄海和渤海存在着由寒潮和冷空气引起的一种独特的风暴潮[35]

图 6 近半个世纪的寒潮与台风频数统计
全国总寒潮次数(a)、北方总寒潮次数(b)、进入30°N(c)及35°N(d)以北海区台风频数(据文献[36, 37])
Fig. 6 Time series of the frequency of the countrywide and regional cold-air outbreaks and typhoons from 1951 to 1994
Total cold-air outbreaks (a),cold-air outbreaks impacting northern China (b),typhoons over 30°N (c) and 35°N (d) (from references [36, 37]).

B45孔和YSZD01孔分别位于黄海两泥质区内,自1913年以来B45孔柱样中沉积的砂含量较小,沉积物平均粒径为6.79 φ,在14.5 cm(1980年)、19.0 cm(1971年)、25.5 cm(1958年)和36.0 cm(1937年)处砂含量增加(图 2)。YSZD01孔平均粒径波动不大,平均粒径为7.1 φ,黏土含量27%~42%,5.0 cm以深(1909~1993年)砂含量较大,且波动变大(图 4),0~5.0 cm(1993~2012年)砂含量较少,粒度变细,5.0 cm(1993年)处明显分为上下两部分,在8 cm(1982年)、10.5 cm(1973年)、15 cm(1956年)和27.5 cm(1910年)处砂含量突然增加。对比黄海两泥质区的柱状样特征可以看出,两孔沉积物砂含量在1980年、1971年、1958年左右突增,表明在1958年、1971年、1980年左右,黄海海区水动力可能存在突出或极端变化,导致两泥质的沉积物粒度突然增大。图 6为1951~1996年寒潮发生次数及区域台风频数[36, 37],图上看出,在1958、1971、1979年左右总寒潮与台风属于高峰期,寒潮更是明显,这种极端气象事件的发生往往会增加风暴潮发生的概率,增强沉积区水动力强度,继而导致沉积物砂含量突然增加。一般时期,B45孔和YSZD01孔处于较弱的水动力环境;但当台风与寒潮极端事件发生时,研究岩芯区沉积环境发生强烈波动,高能水动力环境导致两孔较粗沉积物含量突然增加,使粗颗粒沉积物垂向波动明显增大。因此,研究岩芯沉积物砂含量垂向分布突然增大的原因,很可能是由于寒潮或台风等大范围或区域性极端气象事件影响。从图 6的寒潮与台风多年统计资料看,在有些年份,如1966年,寒潮频数大,但研究岩芯粗颗粒沉积物含量没突增,分析如下。在有的年份,虽然寒潮或台风频数大,但其强度相对弱,对影响区沉积物粒度影响不明显;在有的年份,虽然寒潮或台风频数小,但其强度强,对影响区沉积物粒度影响十分明显。在我国东部海区,台风一般从东南沿海进入,对东南海区影响较大,对北方的黄海影响较小。因此,文中黄海的研究岩芯的砂含量突增很可能不是台风造成的。综上,我们推测,研究岩芯在1958、1971、1979年左右砂含量的突然增加,是由强度大的寒潮控制的;研究区岩芯中砂含量的突然增加很可能具有寒潮强度的指示意义,有待将来进一步研究。

图 7中显示两孔的各敏感粒度组分的含量及平均粒径的垂向变化趋势。B45孔粗粒组分(组分3:71.8~329.9 μm)的平均含量约为3%,远小于其余两种细组分(组分1:3.9~15.6 μm,组分2:15.6~71.8 μm)对应粒级的平均含量(组分1:38%,组分2:34%),只在个别层位较大。就是说,B45孔细粒组分总含量达95%以上,在整个B45孔中占绝对主导,因此,这里主要考虑<71.9 μm的细粒度组分的特征意义。B45孔中两种细组分(组分1:3.9~15.6 μm和组分2:15.6~71.8 μm)的平均百分含量为38%和34%,各组分含量变化较大,且二者大致呈负相关关系(r=-0.62)。组分1粒径变化范围为9.0~8.7 μm,平均粒径为8.8 μm,平均粒径垂向变化不大(图 7),且该组分所对应的敏感组分的标准偏差值与组分3标准偏差值相近,均相对(组分2)较低。而组分2对应的平均粒径为30.9 μm,变化范围为29.5~33.0 μm,波动比组分1要大(图 7),所以组分1含量的波动是因为组分2含量变化引起的,即组分2(15.6~71.8 μm)是B45孔的敏感粒级组分。对于YSZD01孔,组分B(23.7~500.0 μm)平均粒径变化范围为40.8~150.8 μm,平均107.3 μm,波动较大;而组分A(1.5~23.7 μm)平均粒径变化范围6.3~6.8 μm,平均6.6 μm,波动较小。前文指出YSZD01孔沉积物粒度上部细下部粗,从粒度分布曲线上可以看出上部有明显单峰,下部为双峰(图 7),体现为细组分和粗组分的混合。且从图 7上也可以看出YSZD01孔两细粒组分含量具明显的负相关性(r=-0.99),但组分A(1.5~23.7 μm)粒径变化很小(6.3~6.8 μm),因此组分A含量的变化是因组分B含量变化引起的。范德江等[32]的数据显示,长江、黄河入海沉积物中均匀悬移载荷分别为<18 μm与<22 μm。据此推测,组分A应该是黄海沿岸流与黄海暖流分支相互作用形成的弱沉积水动力环流所携带的悬浮体沉降。B45孔(15.6~71.8 μm,组分2)和YSZD01孔(23.7~500.0 μm,组分B)的敏感粒级组分是两泥质区重要的环境指代指标。

图 7 B45和YSZD01孔粒度组分的含量和平均粒径变化 Fig. 7 Percentage of main grain groups and mean grain size of Cores B45 and YSZD01

沉积物敏感粒级所指示的沉积学意义,早已在古环境研究中得到应用。孙有斌等[38]通过计算粒级—标准偏差方法对冲绳海槽和琉球海沟沉积物的敏感粒级进行提取,分析指出敏感粒级与水动力环境密切相关;肖尚斌等[39, 40, 41]、向荣等[15, 18]认为东亚冬季风强弱变化影响沿岸流沉积水动力,其变化进一步反映在沉积物中敏感粒级的变化情况;万世明等[34]通过对南海沉积物敏感粒度组分之间含量比值的计算来研究东亚冬季风相对夏季风强度变化等,进而据其沉积序列进一步反演区域气候变化、地质历史时期构造事件(如青藏高原阶段性隆升)等。因此,敏感粒级用来指示季风变化的方法看来是可行的。通过敏感粒级指示东亚季风的变化多集中于千年尺度范围内[15, 18, 39, 40, 41],且侧重讨论东亚冬季风的变化。本文尝试在百年尺度内用敏感粒级来指示东亚冬季风强弱。图 8是两孔敏感粒级含量变化与百年来东亚季风强度对比。近百年来东亚冬季风强度存在递增趋势[43]:1884~1902年处于正常期,1902~1924年有所减弱,1928~1954年冬季风比前一段时期有所增强,1958~1982年处于上世纪最强的冬季风时期。将两孔敏感粒级组分含量变化与东亚冬季风强度对比发现,1913~1924年两孔敏感粒级组分含量降低对应东亚季风减弱期;两孔在1925~1935年、1955~1964年、1974~1977年、1982~1986年这四个时期敏感粒级含量出现增加趋势,与东亚季风1928~1954年、1958~1982年增强期对应较好,个别剖面年龄稍有偏差,可能与测年误差或海洋沉积环境的不稳定性有关。夏季风强度在19世纪末20世纪初和20世纪后半期减弱[44],而对应两孔沉积物平均粒度(图 3,4)及敏感粒级组分平均粒度(图 7)均呈现增大趋势,变化特征与东亚冬季风强度递增趋势相符。东亚季风影响和控制中国地区气候[45],夏季风由海洋吹向陆地,湿润多雨,黄、东海沿岸流系统弱化,使大量细颗粒沉积物在海域周边沉积;冬季风由陆地吹向海洋,干燥少雨,沿岸流系统能量增强,促进沿岸流对细颗粒沉积物向外海的搬运。东亚季风强度变化改变沉积时水动力条件,对沉积物中敏感粒级含量变化产生影响,用敏感粒级来指示东亚冬季风较为可靠。两孔沉积物对东亚冬季风的响应因其位于泥质区附近的相对稳定沉积环境而变得较为敏感。1910年至今(2010年),两孔对应敏感粒度组分含量整体有递增的趋势,自1981年以来,敏感粒度组分含量明显高于两孔对应的平均含量值,说明1981年以来东亚冬季风整体上增强趋势最为明显,使得黄海海区水流搬运沉积物的能力增强,敏感粒度组分含量变大。敏感组分含量变化体现了季风强度的变化;1932~1981年敏感粒度组分含量多在平均值附近摆动,但波动强烈,说明在1932~1981年期间东亚季风虽然强弱变化较为频繁,但其影响海区的水体搬运能力没有明显的变化,敏感粒度组分含量处于一个较为平衡的水平。因此东亚冬季风强弱变化的频率体现为敏感粒级含量波动的程度。

图 8 B45和YSZD01孔的敏感粒级含量与东亚季风强度对比 (季风资料据文献[46]) Fig. 8 Comparison of East Asian monsoon index (from references [46]) with content change of sensitive grain size group of B45 and YSZD01 Cores
5 结论

对现场获取的南黄海中部与北黄海西部泥质区的短柱沉积物样品以0.5 cm高分辨率间隔取样,进行了粒度测试与统计分析,并对短柱样进行了210Pb测年,旨在通过分析沉积物粒度及沉积年代的垂向分布特征,探讨南黄海中部与北黄海西部泥质区近现代沉积物的差异及在沉积环境方面的意义。结果表明,位于北黄海西部泥质区的B45孔柱样沉积时间为1913~2010年,共97年;沉积物各粒度参数垂向相对变化较大;正偏及单峰为主,分选差;沉积物粒度频率曲线具宽峰态;粒度较细,沉积物以粉砂为主。YSZD01孔位于南黄海中部泥质区,柱样沉积时间为1909~2012年,共103年;沉积物各粒度参数垂向变化较小;负偏及双峰分布为主,分选较差;沉积物粒度频率曲线具宽峰态;粒度较细,沉积物为泥、砂质泥。B45孔和YSZD01孔,在1958年、1971年、1980年左右,可能发生强度大的寒潮,其增强了黄海海区的水动力环境,导致两孔在这些年份左右的沉积物砂含量突增,同时粒度参数变化均较为明显。用粒级—标准偏差法得到B45和YSZD01孔沉积物敏感粒级组分分别为15.6~71.8 μm和23.7~500.0 μm,两孔沉积物敏感粒级组分是两泥质区重要的环境替代指标,可以用其指示东亚季风的变化,并认为自1910年代以来东亚冬季风强度增强,两孔在1925~1935年、1955~1964年、1974~1977年、1982~1986年这四个时期敏感粒级含量出现增加趋势,对应冬季风强度增强较为明显。季风强度的变化体现为敏感组分含量变化,季风强弱变化的频率体现为敏感粒级含量波动的程度。

致谢 于增慧在测年数据处理等方面给予指导,宗统、刘晓锋,胡志洲、黄慧文、蒋玉昕、刘潇在样品处理测试分析中给予帮助,两位审稿人给予了有益的评论与建议。

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